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中国“天眼”,志在高远

日期:2017/8/30 作者: 陈冰 阅读 ( 5024 )【 来源 : 新民周刊 】
阅读提示:500米口径球面射电望远镜,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。
 
记者|陈 冰 实习生|余思易
 
       冥昭瞢暗,谁能极之?冯翼惟象,何以识之?这是两千多年前屈原在《天问》中对于位于人类之上的星空所发之问。如今,国人终于可以傲然的给出答案——中国天眼。
  中国天眼,位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼的喀斯特洼坑中,专业名称是“500米口径球面射电望远镜”,简称FAST。这座巨大的射电望远镜最初由我国天文学家于1994年提出构想,由中国科学院国家天文台主导建设,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。
 
开创先河的中国天眼
 
  巧妙借助云贵地区特有的喀斯特环状洼地,FAST利用周围三座山峰的地势,像架在锅架上的“锅”一样建造起来。它聆听着137亿光年外的宇宙电波信号,帮助天文学家研究脉冲星、氢辐射,甚至还能寻找外星文明的踪迹,是名副其实的“天眼”。FAST于2016年9月25日在贵州省平塘县落成启用。这个目前中国保持领先的天文工程,开创了建造巨型射电望远镜的新模式,被认为将在未来10至20年内保持世界一流地位。
  在此之前,世界上保持领先的射电望远镜,一个是德国100米直径的“埃菲尔斯伯格”,一个是美国300米直径的“阿雷西博”。而FAST的天线口径为500米,目前已是国际上最大的单口径望远镜,与号称“地面最大的机器”——德国“埃菲尔斯伯格”100米望远镜相比,其灵敏度提高约10倍。如果天体在宇宙空间均匀分布,FAST可观测目标的数目将增加约30倍。与美国“阿雷西博”300米望远镜相比,FAST灵敏度高2.25倍。
  据天文学家预测,FAST将在未来二三十年保持世界一流设备的地位,并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题,成为国际天文学术交流中心。更重要的是,以前中国进行天文学研究总是得借助他国的天文望远镜,因此中国天文研究一直落后于世界,现在FAST的建成,让中国有了自己的天文望远镜,而且还是世界上最大的、最精准的,这无疑才是让国人备感自豪的地方。
  “浩瀚星空,广袤苍穹,自古以来寄托着人类的科学憧憬。天文学是孕育重大原创发现的前沿科学,也是推动科技进步和创新的战略制高点。500米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼’,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”习近平主席如是说。
“从选址开始,FAST的建造就充满艰辛和不易。”台址与观测基地系统总工程师朱博勤说。“在平地上建百米以上的射电望远镜,巨大的自重就会造成形变,一阵风也会让它变形。所以科学家们决定选择在洼地里建造。而在具体选址时,则既要考虑电磁波环境、地质条件,还要考虑造价问题。”朱博勤说,“在排除了火山口、矿坑和陨石坑等低洼地形后,我们锁定了喀斯特地貌。”科学家们前后总共考察了400多个洼地,经过反复比较论证,最终选定了贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地。
  此后,FAST的创意经过多年反复锤炼,其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了合作研究,凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。
 
FAST能做什么
 
  射电望远镜也是天文望远镜的一种。千百年来,人类仅仅是通过可见光波段来观测整片星空的天体,而实际上,天体具有的辐射覆盖着整个电磁波段。电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,有效地传递能量和动量。而射电望远镜,观测的正是电磁波所传递的天文学信息。
  射电天文望远镜通常由三个主要部分构成:汇聚电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。为实现跨越式发展,中国天文界提出建造世界最大的单口径射电望远镜 ——500米口径球面射电天文望远镜(FAST)。FAST有着三大开创新的特征:利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面;采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度定位。全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,FAST突破了望远镜的百米工程极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。如果说射电望远镜“锅盖”越大越灵敏,那么500米的“超级天眼”究竟有多灵敏呢?科学家打了个比方,有人在月亮上打手机,也逃不过它的“眼睛”。
天文设备按国际惯例都是开放的,但中国人要独立申请使用国外望远镜比较难。国内外设备差距比较大,缺乏平等合作的基础。”国家天文台“百人计划”研究员、500米口径球面射电望远镜工程科学部主任朱明说,只有走自主研制之路,才可以扭转这一局面。“500米口径球面射电望远镜建成,将为我国天文学跻身世界一流创造条件。”中科院国家天文台台长严俊表示。国家天文台射电天文研究部首席科学家、“千人计划”专家李菂说,中国大射电在很多领域都具备超强的能力:发现气体星系有望在过去的基础上提高10倍,发现的脉冲星数量有望翻倍,有望发现新的星际分子……
  FAST作为一个多学科基础研究平台,对于我国科学家观测许多天文学重要数据有着巨大的推动作用。FAST的本事可不小:FAST有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘,观测暗物质和暗能量,寻找第一代天体。一年时间内,FAST大约能发现约7000颗脉冲星,从而研究极端状态下的物质结构与物理规律。除此之外,FAST作为最大的台站加入国际甚长基线网,能为天体超精细结构成像,更是有希望发现奇异星和夸克星物质。科学家们对于FAST有着广阔的应用前景:通过观测中子星,科学家们无需依赖模型既能精确测定黑洞质量;通过精确测定脉冲星到达时间,FAST甚至还能用来检测引力波。
  FAST更是在我国当代天文学许多重大需求方面有着重要应用价值。FAST的建成,把我国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通信数据下行速率提高100倍;FAST将脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵,为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟;FAST能进行高分辨率微波巡视,以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间信号,作为被动战略雷达为国家安全服务。作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统,提供高分辨率和高效率的地面观测;跟踪探测日冕物质抛射事件,服务于太空天气预报。
  除此之外,FAST的研究涉及了众多惠及民生的高科技领域,如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、海量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相关领域,如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。FAST的建设经验将对我国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。
  有了FAST,边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心,成为把贵州展现给世界的新窗口。以FAST为主体的天文科普基地将推进我国西部甚至全国的科普工作,教育青少年、宣传公众与决策层,为科教兴国的长远战略目标服务。
  FAST的设计综合体现了我国高技术创新能力。它将在基础研究众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。
 
天眼之后,中国天文再上层楼
 
  FAST工程副总经理、办公室主任张蜀新说,未来2至3年,FAST的重点工作是调试和试观测工作。“科学家总是希望能够获得高质量的观测数据,所以未来将通过调试和试观测,以达到望远镜的最佳性能。我们当然也期待过程中会有一些令人惊喜的发现。”按计划,500米口径球面射电望远镜将和我国其他5座射电望远镜组成“天眼”群——甚长基线干涉测量网,并主导国际射电领域的低频测量网,从而更好地获取天体超精细结构。
  未来5至10年,大射电等项目只是我国大望远镜建设浪潮的前浪。据严俊透露,中国12米光学红外望远镜已初步通过专家评审,有望于“十三五”规划期间立项。目前,我国最大的光学望远镜是位于云南丽江的2.4米光学望远镜,与国际上领先的西班牙10.4米光学望远镜、美国10米光学望远镜和日本8米光学望远镜等仍有较大差距。12米光学红外望远镜建成后将为暗能量本质、引力波源光学认证和研究、太阳系外类地行星探测、超大质量黑洞、第一代恒星等前沿科学问题提供在国际上有竞争力的观测平台。有红外望远镜,就有紫外望远镜和X射线望远镜,我国正计划把望远镜家族的基地拓展到空间领域。
  今年年底,我国将发射自主研制的硬X射线调制望远镜卫星,它可以进行宽波段大天区X射线巡天成像,具有独特的观测黑洞、中子星等高能天体多波段X射线快速光变的能力,并可以监视天空的高能爆发现象。“随着我国空间站逐步具备维护在轨航天器功能,建造中国版‘哈勃’太空望远镜的呼声也越来越高。”严俊说,立体化作战的望远镜集群,不仅将大幅提升我国在天文科学与技术方面的自主创新能力,还能广泛应用于导航、定位、航天、深空探测等领域。
  关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁……从预研到建成的22年时间里,我国老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越,也为更多人投身这项科学事业奠定了基础,点燃了人类向往太空的激情。
  “从孩子第一次抬头看到星星的那一刻,天文学其实就在他们心里埋下了种子。”国家天文台射电天文研究部首席科学家、“千人计划”专家李菂说。他希望天文学课程将来可以走进课堂,激发孩子们观察星空、探索宇宙的兴趣。“天文学的发展,是全人类认识宇宙的智慧结晶。未来20年是射电天文乃至天文学的‘黄金时代’,不断增强的科技创新力,让我们拥有向宇宙更深处探索、实现前沿科学领域突破的信心。” 中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃说。
  仰望星空,向来是拥有着理想的人类对于真理的不懈追求的体现。黑格尔曾说过,“一个民族,有一群仰望星空的人,这个民族才有希望”。无数的中华儿女通过20载的不懈努力,FAST的建造开创了建造巨型射电望远镜的新模式,具有独立自主知识产权,被认为将在未来10至20年内保持世界一流地位。这是我国在天文学领域的巨大突破,更是中国科技一步步迈向世界领先地位的象征。
  综合国力的加强,正让我国科学界不断地收益;而国家也越来越愿意在许多新兴科技领域上花费重金以谋求发展。
 
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